空化水动力学非定常特性研究进展及展望

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况,分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中,对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主,同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.     

Research progresses and prospects of unsteady hydrodynamics characteristics for cavitation

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况, 分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中, 对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主, 同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.     

空化、超空化流动的数值模拟方法研究

基于结构化网格，运用可压缩流N—S方程及k-ε湍流模型对流场进行求解，在低压区域引入一种基于混合密度函数的空化模型对轴对称体的空化、超空化流动进行了数值模拟．通过将半球圆柱的计算结果与实验数据和前人的计算结果进行对比，验证了所发展的数值方法的可靠性．最后，采用非定常的数值方法，研究了钝头体射弹的空化、超空化流动特性，并模拟了其超空泡的发展过程．     

非定常空化流动涡旋运动及其流体动力特性

采用大涡模拟方法对绕水翼云状空化的水动力特性和非定常流场结构进行研究. 基于实验结果对数值方法进行验证,分析空化与流场内部涡旋结构之间的相互作用以及对水翼动力特性的影响. 研究结果表明:大涡模拟方法可以准确模拟绕水翼流动的非定常过程. 在无空化条件下,升阻力系数存在斯特劳哈数St = 0.85 的主频波动,这是由水翼尾部涡旋结构的发展脱落引起的;在云状空化条件下,升阻力系数存在St = 0.34 的高能量密度低频波动,这是由大规模云状空泡团的发展和脱落引起的;云状空化阶段的升阻力系数在St = 0.5~1.5 的范围内都存在较高的波动,这是由于空化现象对水翼尾缘涡旋结构的发展和脱落产生影响,在不同发展阶段,空化现象不同程度地降低尾缘涡旋结构脱落频率.      

非定常空化流场结构的实验研究

为深入研究非定常空化流场结构,本文用实验方法研究了绕Clark-Y型水翼的非定常空化流动现象.实验在空化水洞中进行,采用高速摄像技术观测了云状空化阶段的非定常空穴形态,并应用粒子成像测速系统(PIV)对绕水翼空化流场的速度场和涡量场等流动特性进行了同步的实验分析.研究表明:空化现象对流场结构有着重要的影响,在无空化和空...     

考虑气核生长溃灭效应的螺旋桨梢涡空化初生数值模拟研究

梢涡空化是螺旋桨最早发生的空化类型,其一旦发生会显著增强舰船辐射噪声水平.因此,螺旋桨梢涡空化初生的预报是军舰临界航速确定的关键,长期以来受到船舶领域诸多专家学者的重点关注.微观气核受涡心低压作用而发生暴发式生长是梢涡空化初生的重要机制,而传统欧拉框架下的宏观空化模型用经验参数模化了微观气核的影响而无法对该过程准确模拟,影响对螺旋桨空化初生的准确预报.为了弥补传统模拟方法的不足,本研究发展并使用一种基于气泡动力学并考虑水相可压缩效应的欧拉-拉格朗日空化初生数值预报方法对螺旋桨梢涡空化初生进行了数值模拟研究.与实验结果对比表明,该模型能够准确地预报螺旋桨梢涡空化初生.此外,本研究不仅从微观气核角度探究不同来流气核尺寸对空化初生的影响,还进一步研究梢涡流动特性对气核演变的影响机制,初步探究初生空化在螺旋桨梢涡流场中的发声机理.在空化初生光学判断准则下尺寸越大的气核越容易被梢涡捕获而暴发式生长.气核在梢涡卷吸作用下逐渐靠近涡心低压区.在涡心低压区的持续作用下气核开始暴发式生长,并在半径达到最大后迅速收缩溃灭,产生强烈的正声压脉冲信号.     

基于动力学模态分解法的绕水翼非定常空化流场演化分析

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.      

空化可压缩流动空穴溃灭激波特性研究

为深入研究空化可压缩流动中空泡/空泡团溃灭过程中激波产生、传播及其与空穴相互作用规律,本文采用数值模拟方法对空化可压缩流动空穴溃灭激波特性展开了研究.数值计算基于OpenFOAM开源程序,综合考虑蒸汽相和液相的压缩性,通过在原无相变两相可压缩求解器的控制方程中耦合模拟空化汽液相间质量交换的源项,实现了对空化流动的非定常可压缩计算.利用上述考虑汽/液相可压缩性的空化流动求解器,对周期性云状空化流动进行了数值模拟,并重点研究了空穴溃灭激波特性.结果表明:上述数值计算方法可以准确捕捉到空穴非定常演化过程及大尺度脱落空泡云团溃灭激波现象,大尺度脱落空泡云团溃灭过程分为3个阶段:(1) U型空泡团形成; (2) U型空泡团头部溃灭; (3) U型空泡团腿部溃灭.在U 型空泡团腿部溃灭瞬间,观察到激波产生,并向上游和下游传播,向上游传播的激波与空穴相互作用,导致水翼吸力面新生的附着型片状空穴回缩,直至完全溃灭.并且空穴溃灭激波存在回弹现象, 抑制了下一周期的空化发展.      

带尾翼水下自然超空泡射弹数值模拟研究

基于Navier-Stokes方程,考虑气液间相变,采用大涡模拟湍流模型,PISO算法及VOF方法,利用自行开发的程序对绕三维带尾翼水下自然超空泡射弹的非定常空泡流动进行了数值模拟研究.通过计算结果得到超空泡从射弹头部初生至完全包裹弹身的形成过程.在此基础上,计算不同攻角条件下的超空泡形态,并给出射弹表面空泡厚度分布曲线,分析不同攻角对超空泡形态特性的影响规律,以及在零攻角条件下,分析尾翼对空泡形态的影响.另外计算不同空化数条件下的超空泡无量纲长度和厚度,将计算结果与实验数据进行对比,两者吻合较好.研究结果为进一步研究水下高速射弹的水动力特性和弹道特性问题提供理论基础.     

高速航行体水下发射水动力学研究进展

高速航行体水下发射水动力学研究, 是具有重大工程应用背景的前沿基础问题.与之紧密相关的非定常空化流动, 特别是空泡稳定性、溃灭等问题, 是影响发射载荷及安全性的关键.本文首先简述了这一领域的主要科学问题, 归纳了主要控制参数和影响方式; 之后针对非定常空化流动问题, 综述了已有的实验观测手段及数值模拟方法; 总结了空泡发展、稳定性、溃灭及流动控制等重要物理机制、模型及各因素相互作用规律; 最后展望了该领域仍存在的主要科学问题与未来发展趋势.      

Dynamics of cavitation–structure interaction

Cavitation–structure interaction has become one of the major issues for most engineering applications. The present work reviews recent progress made toward developing experimental and numerical investigation for unsteady turbulent cavitating flow and cavitation–structure interaction. The goal of our overall efforts is to(1) summarize the progress made in the experimental and numerical modeling and approaches for unsteady cavitating flow and cavitation–structure interaction,(2) discuss the global multiphase structures for different cavitation regimes, with special emphasis on the unsteady development of cloud cavitation and corresponding cavitating flow-induced vibrations,with a high-speed visualization system and a structural vibration measurement system, as well as a simultaneous sampling system,(3) improve the understanding of the hydroelastic response in cavitating flows via combined physical and numerical analysis, with particular emphasis on the interaction between unsteady cavitation development and structural deformations. Issues including unsteady cavitating flow structures and cavitation–structure interaction mechanism are discussed.     

绕水翼空化流动及振动特性的实验研究

空化是发生在水力机械内部的一种水动力现象,其发展具有显著的非定常特性.空化流动中空穴的脱落以及溃灭会诱发结构振动,对水力机械的效率、噪声、安全性等造成影响. 研究空化流动中结构的振动特性具有重要的工程意义. 采用实验的方法研究了绕NACA66 水翼空化流动的空穴形态和水翼振动特性. 实验在一闭式空化水洞中进行. 采用高速摄像技术观测不同空化阶段的空穴形态,应用多普勒激光测振仪测量水翼的振动速度,并通过一套同步系统实现了高速相机和多普勒激光测振仪的同步触发和测量. 采用小波分析方法对不同空化阶段下的空穴形态和水翼振动数据在时域和频域中的特性进行了分析.对云状空化阶段的同步测量结果进行了研究,分析了振动与空穴发展过程的联系. 结果表明,随着空化数的降低,流场经历了无空化、初生空化、片状空化和云状空化4个阶段,水翼的振动强度呈逐渐增大趋势. 在片状空化和云状空化阶段,空穴脱落导致水翼振动,诱发的振动频率与空穴脱落频率相同. 对于云状空化,在附着型空穴生长阶段水翼发生高频小幅度振动,在空穴脉动和断裂脱落期间水翼表现为低频大幅振动.      

空化对叶顶间隙泄漏涡演变特性及特征参数影响的大涡模拟研究

利用大涡模拟方法及一个考虑气核效应的欧拉$\!-\!$拉格朗日新空化模型, 对绕NACA0009水翼叶顶间隙泄漏涡(top-leakage vortex, TLV)及其空化流动开展了高精度的模拟, 结果显示数值模拟与实验吻合较好. 在此基础上进一步讨论了不同间隙大小对TLV空化的演变行为及其发生前后TLV强度、气核分布以及切向速度分布等特征参数的变化规律, 分析了TLV空化对TLV演变行为及其特征参数的影响机制. 结果表明, 空化发生后, TLV的强度主要受片空化演变行为的影响, TLV空化对其自身强度的影响较小. 此外, 间隙越小, 片空化越不稳定, TLV的强度也会呈现相应的准周期性波动. 随着间隙的逐渐增大, 片空化强度逐渐减小, 其不稳定性也逐步减弱, TLV强度逐渐恢复至无空化时的水平, 其波动也会逐渐减小. 空化对涡心处气核分布会产生较为明显的影响, 其影响程度取决于空化发生后TLV在空间上的稳定性以及TLV空化的强度. 此外, 空化发生后, TLV半径会在一定程度上增大, 且在空化区域外围形成``类刚体旋转'的切向速度分布特性, 其形成原因主要是空化生长引起的膨胀过程以及流动的黏性作用.      

Experimental evaluation of numerical simulation of cavitating flow around hydrofoil

Cavitation in hydraulic machines causes different problems that can be related to its unsteady nature. An experimental and numerical study of developed cavitating flow was performed. Until now simulations of cavitating flow were limited to the self developed “in house” CFD codes. The goal of the work was to experimentally evaluate the capabilities of a commercial CFD code (Fluent) for simulation of a developed cavitating flow. Two simple hydrofoils that feature some 3D effects of cavitation were used for the experiments. A relatively new technique where PIV method combined with LIF technique was used to experimentally determine the instantaneous and average velocity and void ratio fields (cavity shapes) around the hydrofoils. Distribution of static pressure on the hydrofoil surface was determined. For the numerical simulation of cavitating flow a bubble dynamics cavitation model was used to describe the generation and evaporation of vapour phase. An unsteady RANS 3D simulation was performed. Comparison between numerical and experimental results shows good correlation. The distribution and size of vapour structures and the velocity fields agree well. The distribution of pressure on the hydrofoil surface is correctly predicted. The numerically predicted shedding frequencies are in fair agreement with the experimental data.     

Numerical analysis of unsteady cavitating turbulent flow and shedding horse-shoe vortex structure around a twisted hydrofoil

Cavitating turbulent flow around hydrofoils was simulated using the Partially-Averaged Navier–Stokes (PANS) method and a mass transfer cavitation model with the maximum density ratio (ρ_l/ρ_v,clip) effect between the liquid and the vapor. The predicted cavity length and thickness of stable cavities as well as the pressure distribution along the suction surface of a NACA66(MOD) hydrofoil compare well with experimental data when using the actual maximum density ratio (ρ_l/ρ_v,clip = 43391) at room temperature. The unsteady cavitation patterns and their evolution around a Delft twisted hydrofoil were then simulated. The numerical results indicate that the cavity volume fluctuates dramatically as the cavitating flow develops with cavity growth, destabilization, and collapse. The predicted three dimensional cavity structures due to the variation of attack angle in the span-wise direction and the shedding cycle as well as its frequency agree fairly well with experimental observations. The distinct side-lobes of the attached cavity and the shedding U-shaped horse-shoe vortex are well captured. Furthermore, it is shown that the shedding horse-shoe vortex includes a primary U-shaped vapor cloud and two secondary U-shaped vapor clouds originating from the primary shedding at the cavity center and the secondary shedding at both cavity sides. The primary shedding is related to the collision of a radially-diverging re-entrant jet and the attached cavity surface, while the secondary shedding is due to the collision of side-entrant jets and the radially-diverging re-entrant jet. The local flow fields show that the interaction between the circulating flow and the shedding vapor cloud may be the main mechanism producing the cavitating horse-shoe vortex. Two side views described by iso-surfaces of the vapor volume fraction for a 10% vapor volume, and a non-dimensional Q-criterion equal to 200 are used to illustrate the formation, roll-up and transport of the shedding horse-shoe vortex. The predicted height of the shedding horse-shoe vortex increases as the vortex moves downstream. It is shown that the shape of the horse-shoe vortex for the non-dimensional Q-criterion is more complicated than that of the 10% vapor fraction iso-surface and is more consistent with the experiments. Further, though the time-averaged lift coefficient predicted by the PANS calculation is about 12% lower than the experimental value, it is better than other predictions based on RANS solvers.     

绕水翼空化流动多尺度数值研究

空化的多尺度效应是一种涉及连续介质尺度、微尺度空化泡以及不同尺度间相互转化的复杂水动力学现象, 跨尺度模型的构建是解析该多尺度现象的关键. 本文基于欧拉-拉格朗日联合算法, 通过界面捕捉法求解欧拉体系下大尺度空穴演化, 通过拉格朗日体系下离散空泡模型求解亚网格尺度离散空泡的运动及生长溃灭. 同时, 通过判断空泡与网格尺度间的关系判定不同尺度空化泡的求解模型. 基于建立的多尺度算法对绕NACA66水翼空化流动进行模拟, 将数值结果与实验进行对比, 验证了数值计算方法的准确性. 研究结果表明, 离散空泡数量与空化发展阶段密切相关, 在附着型片状空穴生长阶段, 离散空泡数量波动较小, 离散空泡主要分布在气液交界面位置; 在回射流发展阶段, 离散空泡逐渐增加并分布在回射流扰动区; 在云状空穴溃灭阶段, 离散空泡数量增多且主要分布在气液掺混剧烈的空化云团溃灭区. 在各空化发展阶段, 离散空泡直径概率密度函数均符合伽玛分布. 空化湍流流场特性对拉格朗日空泡空间分布具有重要影响, 离散空泡主要分布在强湍脉动区、旋涡及回射流发展区域.      

High speed digital imaging of cavitating vortices

 Researchers at the Cavitation and Multiphase Flow Laboratory of the University of Michigan worked in conjunction with Princeton Scientific Instruments (PSI) engineers to employ a new digital imaging system in the study of partial attached cavitation. The new high speed solid state system, the Princeton Scientific Ultra Fast Framing Camera (UFFC), was designed for cavitation studies where framing rates of 10⁵–10⁶ frames/s are required to image the detailed mechanisms of cavitating flows. The UFFC, which uses a PSI patented Charge Coupled Device (CCD) array image sensor, was designed to capture 30 frames at a maximum framing rate of 1 million frames/second. In these experiments, a maximum framing rate of 125000 frames per second (8 μs/frame) was used to examine cavitating vortices in the closure region of a partial attached cavity. The vortical structures in the closure region of the attached cavity were imaged, and the evolution and collapse of these flow structures were examined. Relationships between the cavitating vortices size, strength, and collapse time were observed. Received: 15 November 1996/Accepted: 1 December 1997     

ANALYSIS OF UNSTEADY CAVITATION FLOW OVER HYDROFOIL BASED ON DYNAMIC MODE DECOMPOSITION$^{\bf 1)}$

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.